Polimer matrisli kompozit malzemelerde ürün özelliklerini etkileyen çok fazla bileşen vardır. Elyaf tipi, dokuma tipi, reçine yapısı ve katmanlı yapılarda yığın dizisi gibi parametreler malzeme özelliklerini etkilemekle beraber üretim yöntemi, nihai ürünün özelliklerini önemli ölçüde etkilemektedir. Aynı takviye ve matris yapısına sahip malzemeler farklı yöntemler ile üretilebileceği gibi farklı yöntemler ile üretilmiş aynı yapıdaki ürünlerin özellikleri üretim yöntemine göre büyük farklılıklar gösterebilmektedir. Şekil 1.20’de Polimer matrisli kompozitlerde farklı matris ve takviye yapıları için muhtemel üretim yöntemleri verilmiştir.
26 Termoset
Kompozitler
Termoplastik Kompozitler
Sürekli Fiberli Süreksiz Fiberli
Süreksiz
Fiberli Sürekli Fiberli
Püskürtme Serim Sıcak Pres Kalıplama (Hamur-Pestil) Filament Sarma
Islak Serim (El Yatırması- Vakum Poşetleme) Reçine Transfer Kalıplama(RTM- SQRTM) Pultruzyon Vakum İnfüzyon Otoklav Prosesi Enjeksiyon Kalıplama Termoform Teyp Sarma Baskı Kalıplama Otoklav Prosesi Diyafram ile Form Verme
Şekil 1.20. Polimer matrisli kompozit malzemeler için üretim yöntemleri.
Kompozit malzemelerin üretim yöntemi seçilirken birçok parametre göz önünde bulundurularak amaca yönelik en verimli yöntem seçilmelidir. Üretim yöntemi seçilirken üretilecek parça miktarı, yöntemin maliyeti, seçilen yöntem ile elde edilecek parçanın performansı, kullanılacak ham malzeme, üretilecek parçanın büyüklüğü ve şekli göz önünde bulundurulmalıdır.
Elyaf takviyeli termoset polimer kompozit malzemeler için endüstride en sık kullanılan üretim yöntemleri şunlardır:
1.1.3.1. Islak Serim/El Yatırması Yöntemi
Islak serim yöntemi, kompozit endüstrisinin erken evrelerinde pazarda önemli yer tutmuş ve kullanımı günümüzde halen sürmektedir. Islak serim yönteminde takviye malzemesi olarak cam, karbon ve aramid gibi herhangi bir takviye tipi fenolik, vinilester, polyester ve epoksi gibi herhangi bir reçine matris tipi ile birlikte kullanılabilir.
27
Islak serim yönteminde kalıp üzerine serilen takviye malzemesi üzerine katalizör ile karıştırılmış reçine dökülür, reçine bir rulo veya fırça yardımı ile elyaflara emprenye edilir. İstenilen ürün kalınlığı elde edilene kadar işlem tekrarlanır. Kür işlemi atmosferik basınçta ve genellikle ilave ısıtma olmadan gerçekleştirilir. Şekil 1.21’de ıslak serim işlemi şematik olarak gösterilmiştir.
Şekil 1.21. Islak serim işlemi [30].
Islak serim yönteminde takviye elyafların kalıba serimi el ile yapıldığı için bu yöntem el yatırması olarak da adlandırılmaktadır. Çok düşük ilk yatırım maliyeti, düşük üretim maliyetleri ve düşük tecrübedeki operatörlerin bile yöntemi uygulayabilmesi sayesinde ıslak serim yöntemi günümüzde genel olarak prototip ürün üretiminde kullanılmaktadır.
Kürlenmenin atmosfer basıncı altında yapılması nedeni ile yüksek elyaf /reçine oranına sahip parçalar üretilemez. Islak serim yöntemi ile üretilen ürünlerin kalitesinin tekrarlanabilirliği düşüktür ve mekanik özellikler parçadan parçaya değişiklik gösterebilir. Bu gibi dezavantajlarının yanı sıra açık kalıpta gerçekleşen kür işlemi nedeniyle sağlığa zararlı stiren buharı riski de mevcuttur.
28 1.1.3.2. Püskürtme Serim Yöntemi
Püskürtme serim yönteminde basınçla gelen reçine, uygulama tabancasının ucunda katalizör ile birleşir ve yine tabanca üzerinde kırpılan elyaflar ile birlikte kalıba yapışır. Püskürtme yönteminde kür işlemi atmosferik basınçta ve çoğu zaman ilave ısıtma olmadan gerçekleştirilir. Püskürtme işlemi ile kalıba serilen elyaf -reçine karışımı, yapıyı sıklaştırmak ve muhtemel hava kabarcıklarını önlemek için bir rulo yardımı ile sıkıştırılabilir. Şekil 1.22’de Püskürtme serim yöntemi şematik olarak gösterilmiştir.
Şekil 1.22. Püskürtme serim yöntemi [30].
Püskürtme serim yönteminde çıkan üründeki reçine/takviye oranı, ürünün homojenliği ve ürün kalitesi operatörün kabiliyetleri ile oldukça bağıntılıdır. Bu durumu ortadan kaldırmak ve ürün kalitesinin tekrarlanabilirliğini arttırmak için püskürtme serim işlemleri bazı uygulamalarda robot kollar ile yapılmaktadır.
Püskürtme serim yönteminde alışılageldik takviye ürünü cam elyafı iken matris ürünü ise polyester reçinedir. Bu yöntem ile genel olarak karavan gövdeleri, kamyon kasaları, banyo küvetleri ve bazı yapısal olmayan denizcilik ürünleri üretilmektedir.
29
Düşük maliyet yüksek üretim hızı sayesinde büyük parçaların üretiminde avantaj sağlanabilir. Yüksek reçine oranı nedeni ile ağırlık, kırpık ve kontrolsüz elyaf yönelimi nedeni ile de düşük mekanik özellikler püskürtme serim yönteminin başlıca dezavantajlarıdır. Ayrıca polyester reçine kullanımı nedeni ile uygulama esnasında sağlığa zararlı stiren buharı açığa çıkmaktadır.
1.1.3.3. Islak Serim (Vakum Poşetleme)
Bu yöntem el yatırması ıslak serim ile aynı esasa dayalı olup vakum poşeti ile kompozit tabaka ve kalıp kapatıldıktan sonra vakum pompası ile vakum altına alınır. Bu sayede reçine-takviye yapısının, el yatırmasına göre daha iyi konsolide olması sağlanır. Şekil.1.23’de vakum poşetleme ıslak serim yöntemi şematik olarak gösterilmiştir.
Şekil 1.23. Islak serim vakum poşetleme yöntemi [30].
Vakum poşetleme yönteminde, vakum sayesinde el yatırmasına kıyasla daha yüksek elyaf reçine oranı elde edilebilmekte ve parça içinde daha düşük boşluk kalması sağlanmaktadır. Kompozit katman üzerindeki basınç sayesinde reçinenin elyaflara emprenye edilmesi kolaylaşmaktadır. Ayrıca kür işlemi esnasında kalıp kapalı olduğundan el yatırmasına oranla daha sağlıklı bir proses elde etmek mümkündür.
30
Vakum poşetleme yöntemi, el ile yatırma işlemine oranla önemli avantajlar barındırmasına rağmen el yatırması işlemine göre hem daha maliyetlidir hem de ürün kalitesi halen operatör tecrübesine oldukça bağımlıdır.
Bu yöntem ile genel olarak yarış araçları gövdeleri, gemi gövdeleri ve bazı tamirat işlemleri yapılmaktadır.
1.1.3.4. Filament Sarma Yöntemi
Filament sarma yöntemi ile genellikle içi boş, daire veya oval kesitli tank veya boru üretimi gerçekleştirilmektedir. Seri üretime uygun olup, takviye malzemesi olarak cam, karbon ve aramid gibi herhangi bir takviye tipi fenolik, vinilester, polyester ve epoksi gibi herhangi bir reçine matris tipi ile birlikte kullanılabilir.
Filament sarma yönteminde elyaflar bir reçine banyosundan geçerek mandrel üzerine sarılırlar. Sarım açısı, mandrelin dönme hızının, arabanın ilerleme hızına göre ayarlanması ile ayarlanmaktadır.Filament sarma yönteminde kür işlemi, atmosfer basıncında ve çoğu zaman ilave ısıtma işlemine gerek kalmadan gerçekleştirilir. Şekil 1.24’de filament sarma yöntemi şematik olarak gösterilmiştir.
31
Filament sarma yöntemi ile otomatize edilmiş uygulamalar sayesinde hem yüksek hızlı üretim hem de ürün kalitesinde tekrarlanabilirlik elde edilebilmektedir. Sarım açılarının parçanın yükleme konumu dikkate alınarak tasarlanması halinde çok yüksek mukavemetli ürünler elde edilebilmektedir.
1.1.3.5. Pultruzyon Yöntemi
Pultruzyon yöntemi ile çeşitli kesitlerde profiller üretmek mümkündür. Seri üretime uygun olup takviye olarak her türlü elyaf kullanılabilmekle beraber matris olarak genelde epoksi, polyester, vinilester, ve fenolik reçineler kullanılmaktadır.
Pultruzyon yöntemi ile elyaflar bir resin banyosuna çekilerek ıslatıldıktan sonra ısıtılmış bir kalıba girerler. Ürün kalıptan geçerken elyaflar emprenye edilir ve malzeme kürlenerek nihai şaklini alır. Kürlenmiş malzeme daha sonra istenilen uzunlukta otomatik olarak kesilir. Şekil 1.25’de pultruzyon yöntemi şematik olarak gösterilmiştir.
Şekil 1.25. Pultruzyon yöntemi [30].
Pultruzyon yöntemi ile yüksek elyaf oranına sahip yüksek yapısal özelliklere sahip kesitlerde profiller üretilebilmektedir. Otomatize edilmiş proses sayesinde ürün
32
kalitesinde tekrarlanabilirlik elde edilebilmektedir. Yüksek ilk yatırım maliyeti ve limitli geometrilerde üretim, pultruzyon yönteminin dezavantajları olarak sayılabilir.
1.1.3.6. Vakum İnfüzyon Yöntemi
Vakum infüzyon yöntemi ile büyük parçalar hızlı bir şekilde üretilebilmektedir. Takviye malzemesi olarak herhangi bir kumaş tipi kullanılabilir. Matris malzemesi olarak genellikle epoksi, polyester ve vinilester reçineler kullanılmaktadır.
Bu yöntem ile genel olarak tekne gövdeleri rüzgar türbini kanatları gibi büyük yapısal parçalar üretilmektedir.
Vakum infüzyon yönteminde takviye malzemesi kuru bir şekilde kalıba serildikten sonra, kür işleminden sonra soyulan ve yapısal olmayan soyma kumaşı ve reçinenin elyaflara nüfuz etmesini kolaylaştıran reçine yayıcı ağ (akış filesi) ile örtülür. Kalıp vakuma alındıktan sonra önceden belirlenen konum(lar)dan reçine vakum poşetine verilir. Reçine kalıp içinde yayıldıktan sonra fazla reçine, reçine çıkış kabında biriktirilir. Şekil 1.26’da vakum infüzyon yöntemi şematik olarak gösterilmiştir.
33
Vakum infüzyon yöntemi ile, benzer parçaların üretilebildiği vakum poşetleme yöntemine göre hem daha hızlı hem de elyaf oranı yüksek boşluksuz yapılar elde etmek mümkündür. Vakum infüzyon yönteminde ürün kalitesi operatörün kalifikasyonuna oldukça bağımlı olup proses esnasında yapılacak hatalar, elyafların emprenye edilememesine ve parçanın hurda olmasına yol açabilir.
1.1.3.7. Reçine Transfer Kalıplama
Reçine trasfer kalıplama yöntemi vakum infüzyon yöntemi ile büyük benzerlik göstermektedir. Ancak reçine transfer kalıplama yönteminde parça iki kalıp arasında şekillendirilmekte ve parçanın iki yüzünde de kalıp hassasiyetinde ölçüler ve yüzey düzgünlüğü elde edilebilmektedir.
Reçine trasfer kalıplama yönteminde takviye olarak herhangi bir kumaş tipi kullanılabilir. Matris malzemesi olarak genellikle epoksi, polyester, vinilester ve fenolik reçineler kullanılmaktadır. Bu yöntem havacılık, savunma ve otomotiv sektöründe küçük ve karmaşık parçaların üretiminde sıkça kullanılmaktadır.
Reçine transfer kalıplama yönteminde takviye malzemesi kuru bir şekilde kalıba serildikten sonra ikinci kalıp bir pres veya klemp vasıtasıyla kapatılır. Reçine kalıp boşluğuna enjekte edilerek elyafların emprenye edilmesi sağlanır. Kimi zaman reçinenin kalıba verilmesi esnasında kalıp vakumlanarak kumaşın ıslatılmasına yardımcı olunur. Bütün elyaflar ıslatıldıktan sonra reçine girişi durdurulur ve parçanın kürlenmesi beklenir. Kür işlemi çevre sıcaklığında ya da kalıpların ısıtılarak gerçekleştirilebilir. Şekil 1.27’te reçine transfer kalıplama işlemi şematik olarak gösterilmiştir.
34
Şekil 1.27. Reçine transfer kalıplama yöntemi [30].
Reçine transfer kalıplama yöntemi ile düşük boşluk içerikli ve yüksek elyaf/reçine oranlı parçalar üretilebilmektedir. Ancak iyi planlanmamış proseslerde ortaya çıkabilecek hurda parçalar yüksek maliyet getirecektir. Ayrıca sistemin ilk kurulum maliyeti nispeten yüksektir.
Son yıllarda geliştirilen eş nitelikli reçine transfer kalıplama (SQRTM-Same Qualified Resin Transfer Molding) yöntemi ile prepreg malzeme teknolojisi reçine transfer yöntemi ile birleştirilmiştir.
Bu yöntemde, kalıba serilen prepreg malzeme üzerine prepreg ile aynı reçine özelliklerine sahip reçine enjekte edilerek prepreg hidrostatik basınç altına alınmakta ve elektrik ile ısıtılan kalıplar bir pres vasıtasıyla kapatılarak kür işlemi gerçekleştirilmektedir. Bu yöntem RQ-1B Global Hawk insansız hava aracının bazı parçaları ve Sikorsky helikopterlerinin gövde tavanlarında uygulanmış, yüksek kalitede parçalar hızlı ve dar toleranslarda üretilebilmiştir [32,33].
35 1.1.3.8. Presle Kalıplama Yöntemi
Presle kalıplama yöntemi ile çok hızlı üretim yapılabilmektedir. Takviye olarak genelde cam kullanılmakta ve matris olarak düşük viskoziteli polyester kullanılmaktadır.
Presle kalıplama yönteminde hazır kalıplama pestili ve hazır kalıplama hamuru olmak üzere iki farklı yarı mamül kullanılmaktadır. Kırpılmış elyafların bir reçine ile emprenye edilerek pestil haline getirilmesi ile hazır kalıplama pestili, hamur haline getirilmesi ile hazır kalıplama hamuru elde edilmektedir. Presle kalıplama yönteminde yarı mamul kalıba yerleştirilir ve sıcak kalıplar kapatılarak ürünün kürlenmesi sağlanır. Presle kalıplama yönteminde soğuk presler ile üretim de mümkündür. Şekil 1.28’ta Presle kalıplama yöntemi şematik olarak gösterilmiştir.
Şekil 1.28. Presle kalıplama yöntemi, (a) hazır kalıplama pestili, (b) hazır kalıplama hamuru [34].
Presle kalıplama yöntemi ile yüksek boyutsal hassasiyetteki karmaşık parçalar hızlı bir şekilde üretilebilmektedir. Hazır yarı mamül ve kalıp sayesinde yöntemin operatöre bağımlılığı düşüktür ve ürün kalitesinde tekrarlanabilirlik yüksektir.
36
Presle kalıplama yöntemi ile üretilen kompozit parçalar otomotiv endüstrisinde sıkça kullanılmaktadır. Yüksek yatırım maliyeti ve elyaf yöneliminin ayarlanamaması yöntemin dezavantajları olarak gösterilebilir.
1.1.3.9. Otoklav ile Kürleme Yöntemi
Otoklav ile kürleme yöntemi temel olarak vakum poşetleme yöntemine dayanmak ile birlikte bu yöntemde vakum poşetleme yönteminin aksine önceden emprenye edilmiş ve yarı katalize edilmiş elyaflar kullanılmaktadır. Vakum poşetiyle kapatılan katmanların üzerine yüksek basınçlı gaz (hava yada azot) uygulanarak konsolidasyon sağlanmaktadır.
Otoklav ile kürleme yönteminde takviye olarak herhangi bir kumaş tipi kullanılabilmekle beraber matris olarak genel olarak epoksi, polyester, fenolik reçineler ve yüksek sıcaklık reçineleri kullanılmaktadır. Bu yöntem genel olarak yüksek performanslı yapısal havacılık parçalarında ve F1 araçlarında kullanılmaktadır.
Otoklav ile kürleme yönteminde önceden emprenye edilmiş (prepreg) kumaş el ile veya otomatize robotlar ile önceden ayırıcı film ile kaplanmış kalıba serildikten sonra kalıp diğer yardımcı unsurlar ile birlikte vakuma alınır. Vakuma alınan kalıp otoklava yerleştirilir ve otoklavda yüksek basınçlı sıcak gaz (120-180˚C) altında kürlenir. Şekil 1.29’da vakuma alınmış kalıpta prepreg ve Şekil 1.30’da otoklav ile kürleme yöntemi şematik olarak gösterilmiştir.
37
Şekil 1.29. Vakuma alınmış kalıpta prepreg [35].
Şekil 1.29’da gösterilen;
Kalıp ayırıcı, kürlenmiş parçanın kalıptan rahatça çıkartılabilmesini, Soyma kumaşı, matristen ayrılan reçinenin rahatça yayılabilmesini ve ikincil bir işleme gerek kalmadan parça üzerinde yapıştırma ve boyama işlemlerine uygun yüzey oluşturulabilmesini,
Delikli film, kürlenme esnasında oluşabilecek gazların parçadan uzaklaştırılmasını, Bleeder vakum battaniyesi, parça üzerinden kaçan matrisin absorbe edilmesini ve elyaf-matris oranının regüle edilebilmesini,
Breather vakum battaniyesi ise yüksek basınçlı kür işlemlerinde basıncın, keskin köşelerde parçaya zarar vermesini önlemek, vakumun bütün yapıya yayılmasını sağlamak ve parça üzerinden ayrılan reçinenin absorbe edilmesi amacıyla kullanılmaktadır.
38
Şekil 1.30. Otoklav ile kürleme işlemi [35].
Otoklav ile kürleme işlemi esnasında parçaya uygulanan kür prosesi ürün özelliklerini çok önemli ölçüde etkilemektedir. Otoklav ile kürleme işlemi ile iyi bir sonuç elde etmek için basınç ve vakumun kontrolü, parça üzerindeki sıcaklık dağılımı, ısıtma- soğutma hızı ve kür süresi büyük önem arz etmektedir. Modern kompozit otoklavlarında prosesin kontrollü bir şekilde sürdürülebilmesi için otoklav içerisindeki sıcaklık, parça ve kalıp üzerindeki ısıl çiftlerden toplanan veriler ile kontrol edilmektedir. Ayrıca kalıp içindeki vakum ve otoklav içindeki basınç sürekli olarak sensörler ile kontrol edilmektedir.
Kompozit parça üretiminde elyaf reçine-oranı, matrisin homojenliği ve elyaf yönelimi ürün özelliklerini önemli ölçüde etkilemektedir.
Otoklav ile kür prosesinde kullanılan prepreg malzemelerin yüksek homojenlikte ve yüksek elyaf-reçine oranında üretilebilmesi sayesinde otoklav ile kür işlemi sonucunda diğer yöntemlere oranla daha iyi mekanik özelliklere sahip parçalar üretilebilmektedir.
39
Ayrıca prepreg malzeme ile yapılan serim işlemlerinde elyaf yöneliminin kuru kumaş ile yapılan serim işlemlerine göre daha iyi ayarlanabilmesi ve tabakaların yüksek basınç altında konsolide edilmesi sayesinde nihai üründe diğer kompozit üretim yöntemlerine göre daha üstün özellikler elde edilebilmektedir.
Otoklav ile kürleme işlemi ile üretilen parçalarda prepreg malzeme kullanılmasa bile üstün özellikler elde edilebilmektedir.
Stringer L.G’nin yaptığı bir çalışmada ıslak olarak serilen ve otoklavda kürlenen parçada diğer yöntemlere oranla daha yüksek elyaf-matris oranı (%58) elde edilebilmiş ve yapıda %2’den daha az boşluk gözlemlenmiştir [36].
D.Abraham ve diğerlerinin yaptığı bir çalışmada, aynı ham malzemeler kullanılmasına rağmen ıslak serilmiş ve otoklavda kürlenmiş parçalardaki mekanik (eğilme ve çekme dayanımı) ve termal (camsı geçiş sıcaklığı) özelliklerinin vakum destekli RTM yöntemi ile üretilmiş parçalardan daha yüksek olduğu tespit edilmiştir [37].
Otoklav ile kürleme işleminde zararlı gazların çalışma ortamından rahatlıkla uzaklaştırılabilmesi sayesinde sağlıklı ve güvenli üretim yapabilmek mümkündür.
Otoklav ile üretim yüksek ilk yatırım ve işletme giderleri yüzünden genel olarak üstün özellikli ileri kompozit ürünlerin üretiminde kullanılmakla birlikte bilinen avantajları sayesinde mevcut yöntemler arasında ürün performansı açısından en üstün yöntem olarak kabul edilmektedir.
Şekil 1.31’de polimer matrisli kompozit malzemeler için bazı üretim yöntemlerinde üretim hacmi-ürün performansı özelliklerinin karşılaştırılması verilmiştir.
40
Şekil 1.31. Polimer matrisli kompozit malzemeler için üretim yöntemlerinin üretim hacmi-ürün performansı açısından karşılaştırılması [38].
1.1.4. Cam Elyaf Takviyeli Polimer Matrisli Kompozit Malzemeler